Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Видео:Решение системы уравнений методом ГауссаСкачать

Решение системы уравнений методом Гаусса

Точные и приближенные методы решения систем линейных уравнений

Дата добавления: 2015-06-12 ; просмотров: 5321 ; Нарушение авторских прав

Самое простое уравнение — это линейное уравнение с од­ной переменной х вида:

Обобщением таких уравнений является линейное уравнение с несколькими переменными х1, х2, . хn вида:

Многие задачи сводятся к решению конечного множества уравнений вида (2), то есть системы линейных уравнений. В общем виде система n линейных уравнений с n переменными x1, x2. xn записывается как совокупность числовых равенств:

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений(3)

Коэффициенты aij системы для их упорядочения снабжаются двумя индексами, причем индекс i соответствует номеру строки, а j —номеру столбца (i = 1, 2. n; j = 1, 2. n). Тогда свободный член запишется в виде bi(i = 1, 2. n), а переменная— хj (j = 1, 2. n). Будем далее считать, что упорядоченные наборы чисел aij, xj и bi берутся из множества действительных чисел R. Решением системы (3) n уравнений с n переменными называют упорядоченную совокупность n чисел c1, c2, . cn Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений. являющуюся решением каждого из уравнений, входящих в систему. Ясно, что эта совокупность чисел при подстановке ее в систему (3) вместо х1, х2, . хn обращает каждое уравнение системы в истинное числовое равенство. Таким образом, множество решений системы является пересечением множеств решений, входящих в систему уравнений.

В частном случае, при n = 2 и n = 3 получаем хорошо знакомые системы двух линейных уравнений с двумя переменными:

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений(4)

и трех линейных уравнений с тремя переменными:

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений(5)

Решением системы (4) является упорядоченная пара чисел (c1, c2), а решением системы (5) — упорядоченная тройка чисел (с1, c2, c3).

Известно, что исследование и нахождение решения для систем (4) и (5) не представляют особых трудностей. Но задачи практического содержания сводятся к исследованию и решению систем линейных уравнений, содержащих десятки, сотни и даже тысячи переменных. Число элементарных операций при решении линейных систем с n переменными пропорционально примерно n 3 , поэтому решение таких задач стало возможным только с появлением быстродействующих ЭВМ.

Не останавливаясь на вопросах исследования систем линейных уравнений, в дальнейшем будем предполагать, что система имеет единственное решение. Поэтому основной задачей этой главы и будет изучение универсальных вычислительных алгоритмов, используемых для нахождения единственного решения системы линейных уравнений, когда число переменных совпадает с числом уравнений.

Методы решения систем линейных уравнений можно разделить на две группы: точные и итерационные (приближенные) методы.

Точными являются такие методы, которые позволяют получить решение системы после выполнения конечного числа арифметических операций над коэффициентами системы и их свободными членами. Причем решение получится точным только тогда, когда коэффициенты и правые части системы (3) известны точно и все арифметические действия над ними выполняются без округлений. Из точных методов рассмотрим метод Гаусса и правило Крамера. Однако на практике даже этими методами не всегда удается получить точное решение, ибо в ЭВМ точные коэффициенты представляются приближенно с некоторой погрешностью, а в процессе вычислений необходимо проводить округление чисел.

Итерационными являются методы, позволяющие получать решение системы с заданной точностью путем сходящихся бесконечных процессов. Из приближенных методов рассмотрим ниже метод итераций.

4.1 Алгоритм метода Гаусса

Пусть дана система n линейных уравнений с n переменными:

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Коэффициенты аij при переменных будем рассматривать как элементы двумерного массива A (N, N), а свободные члены bi как элементы одномерного массива В (N). Решение xi(i = Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений) разместим в одномерном массиве В (N). Коэффициенты аij и свободные члены bi будем рассматривать как элементы расширенной матрицы

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений.

Предписываемые методом Гаусса преобразования будем выполнять над элементами расширенной матрицы. Опишем формально алгоритм решения линейной системы методом Гаусса без выбора главного элемента.

1. Элементы первой строки расширенной матрицы (А | В)делим на а11. Полученную после такого деления первую строку умножаем последовательно на ak1(k = Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений) и вычитаем ее затем из k-ой строки (k = Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений). После этого преобразования в первом столбце массива A (кроме Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений) все элементы будут равны нулю, то есть получим матрицу:

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийТочные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

2. Элементы второй строки расширенной матрицы делим на Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений, затем умножаем ее последовательно на Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийи вычитаем из оставшихся строк при Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

3. Продолжаем этот процесс исключения переменных (получения нулей) до тех пор, пока подобная процедура не будет проделана с (n — 1)-й строкой матрицы. После этого получим матрицу:

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийТочные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

4. Элементы n-й строки делим на Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийи в результате получаем:

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

На этом закончился прямой ход метода Гаусса.

5. Выполняем обратный ход метода Гаусса: в (п—1)-ю строку последней матрицы подставляем значение хn и находим значение xn-1, затем последовательно находим xn-2, xn-3, . , x2, x1 по формулам:

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Этот алгоритм является экономичным в смысле использования памяти, так как все промежуточные и окончательные значения элементов в процессе преобразования матриц последовательно хранятся в тех же ячейках памяти, что и массивы А и В. Очередные значения диагональных элементов Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийперед началом преобразования строк будем присваивать простой переменной D, что позволит хранить их до окончания преобразования очередной строки матрицы.

Значения переменных xn, xn-1, . x1 присваиваются элементам массива свободных членов В.

Метод Гаусса с выбором главного элементазаключается в том,что при прямом ходе производится выбор наибольшего по модулю (главного) элемента и перестановка строк или столбцов. Последнее исключает деление на 0, если матрица коэффициентов содержит нулевые элементы, и повышает точность вычислений при наличии ошибок округления. Обычно для программ, ведущих вычисления с числами с плавающей точкой, достаточен выбор Aii ¹ 0.

Метод вращения является разновидностью метода Гаусса. Он обладает повышенной устойчивостью к “провалам” промежуточных вычислений. Этот метод обеспечивает приведение исходной системы к системе с верхней треугольной матрицей (см. литературу).

4.2 Правило Крамера

Правило Крамера рассмотрим на примере двух линейных уравнений с двумя переменными:

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений(17)

хотя оно применимо и для решения системы n линейных уравнений с n переменными, но с увеличением n требует большого объема вычислительной работы.

Умножим первое уравнение системы (17) на коэффициент а22, а второе — на — a12 и полученные уравнения сложим. Тогда имеем:

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Если a11a22 — a21a12 Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений0, то получаем значение переменной

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Аналогично, умножая первое уравнение системы (17) на —a21, второе — на а11 и складывая их, получаем:

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Введем обозначения: a11a22 — a21a12 = Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений= Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений;

b1a22 — b2a12 = Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

a11b2 — a21b1 = Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Следовательно, Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений— определитель матрицы коэффициентов системы (17). Определитель Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийполучается из определителя Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений, если коэффициенты системы (17) при x1 (первый столбец матрицы А) заменить свободными членами

B = Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений;

Определитель Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений— если заменить коэффициенты системы (17) при x2 (второй столбец матрицы А) свободными членами.

Определитель Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийназывается главным определителем системы (17), а определители Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений1 и Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений2вспомогательными.

Если главный определитель Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений, то матрица Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийназывается неособенной, в противном случае — особенной.

Таким образом, если главный определитель системы уравнений (17) Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений, то система имеет единственное решение, определяемое формулами

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений(18)

Формулы (18) называются формулами Крамера.

Нахождение решения линейной системы (17) по формулам (18) называется правилом Крамера, который одним из первых пришел к понятию определителя и доказал сформулированное выше предложение.

Справедливы также следующие два предложения:

1. Если главный определитель системы (17) Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений= 0, но хотя бы один из вспомогательных определителей Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений1 или Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений2 отличен от нуля, то система (17) не имеет решений (система несовместна).

2. Если все три определителя Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений, Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений1 и Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений2 системы (17) равны нулю, но среди коэффициентов аij(i, j = 1,2) есть хотя бы один, отличный от нуля, то система (17) имеет бесконечное множество решений.

Легко дать геометрическое истолкование этим предложениям. Поскольку каждому уравнению системы (17) в плоскости соответствует некоторая прямая, то система (17) имеет единственное решение, если прямые имеют одну общую точку; не имеет решений, если прямые параллельны; и имеет бесконечное множество решений, если прямые сливаются.

Правило Крамера решения системы n линейных уравнений с n переменными имеет определенное теоретическое значение; практически им уже при n = 4 не пользуются. Установлено, что число операций умножения и деления, которые необходимо выполнить при решении линейной системы алгебраических уравнений порядка n по формулам Крамера, равно:

N(n)= (n 2 — 1)n! + n,

а по схеме единственного деления метода Гаусса:

N(n) = Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений(n 2 + 3n — 1).

Для сравнения объема вычислительной работы по этим двум алгоритмам подсчитаем количество операций:

по Крамеру по Гауссу

при n = 5 2885 65

при n =10 360*10 6 430

Поэтому все современные ЭВМ имеют стандартные подпрограммы, реализующие различные модификации метода Гаусса.

4.3 Метод итераций и метод Зейделя

Метод итераций позволяет получить последовательность приближенных значений, сходящуюся к точному решению системы линейных уравнений. В отличие от метода Гаусса, метод итераций не требует контроля промежуточных вычислений, так как отдельные ошибки на каком-либо шаге итерации не искажают окончательных результатов, хотя и удлиняет процесс счета. Иначе говоря, метод итераций решения систем линейных уравнений является самоисправляющимся. Кроме того, метод итераций легко запрограммировать для ЭВМ. Пусть имеем систему

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений. (19)

Предположим, что определитель системы отличен от нуля и что диагональные коэффициенты Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Выразим из первого уравнения x1, из второго x2, и т. д. Тогда получим эквивалентную систему:

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

где Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийТочные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Полученную систему запишем так:

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений(20)

и назовем ее системой нормального вида.

Будем решать ее методом последовательных приближений. За нулевое приближение возьмем, например, столбец свободных членов

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийТочные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Подставив в правую часть системы (20) значения Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений(i = Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений), получим первое приближение: Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений.

Затем аналогично второе: Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийи т. д.

Таким образом, зная k-e приближение, (k + 1)-е приближение вычисляют по формуле Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений(21)

Если последовательность приближений ( Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений) (j = Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений) имеет предел

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

то Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийявляется точным решением системы нормального вида, а значит, и исходной системы. В самом деле, переходя к пределу при Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийв (21), имеем:

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Описанный метод последовательных приближений называется методом итераций. Рабочие формулы метода итераций имеют вид:

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений(22)

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

гарантирует теорема о достаточном признаке сходимости процесса итераций.

Достаточным условием сходимости итерационных методов является условие

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

При методе Зейделя итерационный процесс подобен описанному для метода простых итераций, однако уточненные значения Хi j+1 сразу подставляются в последующие уравнения. Формула итерационного процесса имеет вид:

Видео:Метод Крамера за 3 минуты. Решение системы линейных уравнений - bezbotvyСкачать

Метод Крамера за 3 минуты. Решение системы линейных уравнений - bezbotvy

Точные и приближенные методы решения систем линейных уравнений. Метод итераций

Численный метод решения задачи называется точным, если при точном выполнении всех требуемых действий мы получаем точное решение системы. При этом имеется в виду, что все коэффициенты, данные и параметры задачи представляют собой точные значения. Заметим, что методы Гаусса и Жордана — Гаусса, основанные на процессе исключения неизвестных, являются точными.

Если же в результате точного выполнения всех требуемых действий и точном значении всех входящих в условие задачи данных, коэффициентов и параметров получается приближенный результат, то метод называется приближенным. Все рассмотренные в гл. 2 численные методы нахождения корней уравнения являются приближенными.

В случае применения приближенного метода, помимо погрешностей данных, коэффициентов и параметров задачи и погрешностей округления в промежуточных действиях, на окончательный результат всегда влияет и погрешность самого метода.

К числу приближенных методов относится и метод итераций, применимый и к решению систем линейных уравнений. Несмотря на то что данный метод является приближенным, он обладает такими качествами, которые делают его весьма выгодным с вычислительной точки зрения.

Далее кратко рассмотрим метод итераций (к слову, он гораздо проще реализуется в среде Microsoft Excel, чем метод Жордана — Гаусса). Сущность метода изложим на примере системы трех линейных уравнений с тремя неизвестными.

Пусть дана система трех линейных уравнений с тремя неизвестными. Для применения метода итераций приведем систему к виду

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Систему вида (3.14) будем называть системой нормального вида. Пусть (х0; j0; z0) есть некоторое грубо приближенное решение системы. Назовем эту совокупность чисел начальным приближением. Если какое-либо грубое приближение неизвестно, то за него можно взять вообще произвольную совокупность значений неизвестных и принять его за начальное приближение. Часто за начальное приближение берут совокупность свободных членов: (Dp, Dp, D3). Подставим числа х0, у0, 2 о в правые части системы (3.14). В левых частях системы (3.14) получаем некоторые значения переменных х, у, z. Обозначим иххьуь zx и назовем первым приближением. Подставив числа х1; уг, zx в правые части системы (3.14), получим второе приближение: х2, y2, z2. Этот процесс можно осуществлять неограниченно. При некоторых условиях, налагаемых на коэффициенты Аь В ь Ci,A2,. С3, к-е приближение хк, ук, zk при возрастании к будет становиться сколь угодно близким к истинному решению системы (х; у*; z»).

Мы говорим в этом случае, что итерационный процесс сходится. Значит, проведя процесс достаточно большое число раз, мы получим приближенное решение системы.

Заметим, что систему (3.14) и аналогичные системы п линейных уравнений с п неизвестными можно записать в матричном виде. Обозначим

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Тогда систему (3.14) и аналогичные ей системы п линейных уравнений с п неизвестными можно записать так:

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Сформулируем теперь достаточные условия сходимости итерационного процесса.

Достаточные условия сходимости итерационного процесса:

  • 1. Сумма модулей элементов каждой строки матрицы А (сумма модулей коэффициентов каждого уравнения системы (3.14)) меньше единицы.
  • 2. Сумма квадратов всех элементов каждой строки матрицы А (сумма квадратов коэффициентов каждого уравнения системы (3.14)) меньше единицы.

Найдите решение системы линейных алгебраических уравнений

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

методом итераций с точностью до 10 -7 .

Найдем сумму модулей коэффициентов при неизвестных в каждом уравнении.

В первом уравнении: 0,12 + 0,18 + 0,08 = 0,38.

Во втором уравнении: 0,15 + 0,06 + 0,11 = 0,32.

В третьем уравнении: 0,04 + 0,10 + 0,09 = 0,23.

Для каждого из уравнений эта сумма меньше единицы, значит, итерационный процесс сходится, и мы можем получить приближенное решение системы методом итераций. Откроем файл «Численные методы линейной алгебры» (Microsoft Excel). Переименуем лист 3 в лист «Метод итераций». Объединим ячейки А1—F1 и поместим туда надпись Начальное приближение. Объединим ячейки Gl—II и поместим туда надпись Матрица системы. В ячейку Л поместим надпись Свободные члены. В ячейки диапазона G2—14 поместим матрицу Л системы, а в ячейки диапазона J2—J4 — свободные члены системы. В ячейку А2 поместим х0=, в ячейку С2 поместим у0=, в ячейку F2 поместим z0=. В ячейки В2, D2 и F2 поместим начальные приближения решения, равные свободным членам системы: -0,64; 0,26; 1,34 соответственно.

Теперь в ячейку АЗ поместим х1=, в ячейку СЗ поместим у1=, в ячейку F3 поместим zl=. В ячейку ВЗ поместим формулу =$G$2*B2+$H$2*D2+$I$2*F2+$J$2 , в ячейку D3 поместим формулу

=$G$3*B2+$H$3*D2+$I$3*F2+$J$31, а в ячейку F3 — формулу

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Рис. ЗА. Решение систем линейных уравнений методом итераций

| =$G$4*B2+$H$4*D2+$I$4*F2+$J$4 1. Скопируем ячейки диапазона A3—F3 и последовательно вставляем их вниз до тех пор, пока два соседних значения в каждом из столбцов не станут равными. Эти значения и будут нужными приближениями. Исправляем нумерацию индексов в нужных ячейках столбцов А, С и Е и получаем значения (рис. 3.4): Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Округляя полученные значения до семи знаков после запятой, получаем приближенное решение задачи: х

Видео:Базисные решения систем линейных уравнений (03)Скачать

Базисные решения систем линейных уравнений (03)

Методы решения систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) с примерами

Содержание:

Видео:Решение систем линейных уравнений, урок 5/5. Итерационные методыСкачать

Решение систем линейных уравнений, урок 5/5. Итерационные методы

Методы решения систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ)

Метод Крамера

Определение: Системой линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) называется выражение Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Определение: Определитель, составленный из коэффициентов при неизвестных, называется главным определителем системы Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Крамер предложил следующий метод решения СЛАУ: умножим главный определитель на Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийдля этого умножим все элементы первого столбца на эту неизвестную: Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Второй столбец умножим на Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийтретий столбец — на Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений-ый столбец — на Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийи все эти произведения прибавим к первому столбцу, при этом произведение Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийне изменится:

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Согласно записи СЛАУ первый столбец получившегося определителя представляет собой столбец свободных коэффициентов, т.е. Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Определение: Определитель Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийназывается первым вспомогательным определителем СЛАУ.

Поступая аналогично тому, как описано выше, найдем все вспомогательные определители СЛАУ: Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

31. Для того чтобы найти вспомогательный определитель i, надо в главном определителе СЛАУ заменить столбец i на столбец свободных коэффициентов.

Определение: Полученные выше соотношения называются формулами Крамера. Используя формулы Крамера, находят неизвестные величины Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийПроанализируем полученные формулы:

  • если главный определитель системы отличен от нуля (Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений), то система имеет единственное решение;
  • если главный определитель системы равен нулю (Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений), а хотя бы один из вспомогательных определителей отличен от нуля ( Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийили Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений, или, . или Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений), то система не имеет решений (деление на нуль запрещено);
  • если все определители системы равны нулю (Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений), то система имеет бесчисленное множество решений.

Пример:

Решить СЛАУ методом Крамера Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Решение:

Прежде всего, обращаем внимание на то, что в последнем уравнении переменные записаны в неправильном порядке, в этом случае говорят, что СЛАУ записана в ненормализованном виде. Нормализуем СЛАУ, для чего запишем неизвестные в последнем уравнении системы в правильном порядке, чтобы одноименные неизвестные были записаны друг под другом

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Найдем главный определитель СЛАУ (раскрываем по первой строке) Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Так как главный определитель системы отличен от нуля, то СЛАУ имеет единственное решение. Найдем три вспомогательных определителя Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Воспользуемся формулами Крамера

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Замечание: После нахождения решения СЛАУ надо обязательно провести проверку, для чего найденные числовые значения неизвестных подставляется в нормализованную систему линейных алгебраических уравнений.

Выполним проверку Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийОтсюда видно, что СЛАУ решена верно.

Матричный способ решения СЛАУ

Для решения СЛАУ матричным способом введем в рассмотрение матрицу, составленную из коэффициентов при неизвестных Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийматpицы-столбцы неизвестных Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийи свободных коэффициентов Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Тогда СЛАУ можно записать в матричном виде Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийМатричный способ решения СЛАУ состоит в следующем: умножим слева матричное уравнение на обратную матрицу Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийк матрице А, получим Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийв силу того, что произведение Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийнайдем Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийТаким образом, для нахождения неизвестных матричным способом, надо найти обратную к А матрицу Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений после чего надо умножить эту матрицу на матрицу-столбец свободных коэффициентов.

Пример:

Решить СЛАУ матричным способом Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Решение:

Введем в рассмотрение следующие матрицы Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Найдем матрицу Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений(см. Лекцию № 2): найдем детерминант матрицы А.

Пример:

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Решение:

Найдем алгебраические дополнения всех элементов Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийЗапишем обратную матрицу Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений(в правильности нахождения обратной матрицы убедиться самостоятельно). Подействуем пай денной матрицей на матрицу-столбец свободных коэффициентов В:Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Отсюда находим, что х = 1; y = l; z = l.

Метод Гаусса

Метод Гаусса или метод исключения неизвестных состоит в том, чтобы за счет элементарных преобразований привести СЛАУ к треугольному виду. Покажем использование расширенной матрицы, составленной из коэффициентов при неизвестных и расширенной за счет столбца свободных коэффициентов, для приведения СЛАУ к треугольному виду на примере системы, рассматриваемой в этой лекции. Расширенная матрица для СЛАУ имеет вид: Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Замечание: В методе Гаусса желательно, чтобы первая строка расширенной матрицы начиналась с единицы.

Обменяем в расширенной матрице первую и вторую строки местами, получим Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийПриведем матрицу к треугольному виду, выполнив следующие преобразования: умножим элементы первой строки на (-2) и прибавим к соответствующим элементам второй строки Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийРазделим все элементы второй строки на (-5), получим эквивалентную матрицу Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Умножим элементы первой строки на (—1) и прибавим к соответствующим элементам третьей строки Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийРазделим все элементы третьей строки на (-3), получим Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийТаким образом, эквивалентная СЛАУ имеет вид (напомним, что первый столбец это коэффициенты при неизвестной х, второй — при неизвестной у, третий — при неизвестной z, а за вертикальной чертой находится столбец свободных коэффициентов):

Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Из первого уравнения находим, что х = 1.

Вывод: Из вышеизложенного материала следует, что вне зависимости от

способа решения СЛАУ всегда должен получаться один и тот же ответ.

Замечание: После нахождения решения СЛАУ надо обязательно выполнить проверку, то есть подставить полученные значения неизвестных в заданную СЛАУ и убедиться в тождественности левой части всех равенств системы соответствующим правым частям. Отметим, что задание СЛАУ всегда верно, то есть, если проверка показывает нарушение оговоренной тождественности, то надо искать ошибку в проведенных вычислениях.

Ранг матрицы. Теорема Кронекера-Капелли

Определение: Рангом матрицы Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийназывается наивысший порядок отличного от нуля минора этой матрицы.

Если Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийто среди всевозможных миноров этой матрицы есть хотя бы один минор порядка r, который отличен от нулю, а все миноры порядков больших, чем r, равны нулю.

При вычислении ранга необходимо начинать вычислять миноры 2 порядка, затем миноры 3 порядка и так далее, пока не будут найдены миноры, обращающиеся в нуль. Если все миноры порядка p равны нулю, то и все миноры, порядок которых больше p, равны нулю.

Пример:

Найти ранг матрицы Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Решение:

Очевидно, что среди миноров второго порядка есть миноры отличные от нуля, например, Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийсреди миноров третьего порядка также есть миноры, которые не равны нулю, например, Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийОчевидно, что определитель четвертого порядка равен нулю, так как он будет содержать строку, состоящую из одних нулей (см. свойство Точные и приближенные методы решения систем линейных алгебраических уравненийдля определителей). Следовательно, ранг матрицы А равен 3.

Теорема Кронекера-Капелли (критерий совместности СЛАУ). Для совместности системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) необходимо и достаточно, чтобы ранг расширенной матрицы совпадал с рангом основной матрицы, составленной из коэффициентов при неизвестных величинах.

Видео:Математика без Ху!ни. Метод Гаусса.Скачать

Математика без Ху!ни. Метод Гаусса.

Следствия из теоремы Кронекера — Капелли

Следствие: Если ранг матрицы совместной системы равен числу неизвестных, то система имеет единственное решение (то есть она определенная).

Следствие: Если ранг матрицы совместной системы меньше числа неизвестных, то система имеет бесчисленное множество решений (т.е. она неопределенная).

В случае неопределенной системы решения ищут следующим образом: выбираются главные неизвестные, число которых равно рангу, а остальные неизвестные считаются свободными; далее главные неизвестные выражаются через свободные и получают множество решений, зависящих от свободных неизвестных. Это множество решений называется общим решением системы. Придавая свободным неизвестным различные произвольные значения, получим бесчисленное множество решений, каждое из которых называется частным решением системы.

Рекомендую подробно изучить предметы:
  1. Математика
  2. Алгебра
  3. Линейная алгебра
  4. Векторная алгебра
  5. Высшая математика
  6. Дискретная математика
  7. Математический анализ
  8. Математическая логика
Ещё лекции с примерами решения и объяснением:
  • Скалярное произведение и его свойства
  • Векторное и смешанное произведения векторов
  • Преобразования декартовой системы координат
  • Бесконечно малые и бесконечно большие функции
  • Критерий совместности Кронекера-Капелли
  • Формулы Крамера
  • Матричный метод
  • Экстремум функции

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Telegram и логотип telegram являются товарными знаками корпорации Telegram FZ-LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

🎦 Видео

2.1 Точные методы решения СЛАУ (Крамера, Гаусса, Жордана, прогонки)Скачать

2.1 Точные методы решения СЛАУ (Крамера, Гаусса, Жордана, прогонки)

2.2 Итерационные методы решения СЛАУ (Якоби, Зейделя, релаксации)Скачать

2.2 Итерационные методы решения СЛАУ (Якоби, Зейделя, релаксации)

Решение систем линейных алгебраических уравнений методом Крамера.Скачать

Решение систем линейных алгебраических уравнений  методом Крамера.

Метод простой итерации Пример РешенияСкачать

Метод простой итерации Пример Решения

Графическое решение систем уравнений: точные и приближённые ответы | Алгебра IСкачать

Графическое решение систем уравнений: точные и приближённые ответы |  Алгебра I

Лекция 5, Итерационные методы решения систем линейных уравненийСкачать

Лекция 5, Итерационные методы решения систем линейных уравнений

Решение системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) в Excel МАТРИЧНЫМ МЕТОДОМСкачать

Решение системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) в Excel МАТРИЧНЫМ МЕТОДОМ

Матричный метод решения систем уравненийСкачать

Матричный метод решения систем уравнений

Метод Зейделя Пример РешенияСкачать

Метод Зейделя Пример Решения

Решение системы линейных уравнений методом ГауссаСкачать

Решение системы линейных уравнений методом Гаусса

Общее, частное, базисное решение системы линейных уравнений Метод ГауссаСкачать

Общее, частное, базисное решение системы линейных уравнений Метод Гаусса

Метод Гаусса решения систем линейных уравненийСкачать

Метод Гаусса решения систем линейных уравнений

Метод Ньютона (метод касательных) Пример РешенияСкачать

Метод Ньютона (метод касательных) Пример Решения

Cистемы уравнений. Разбор задания 6 и 21 из ОГЭ. | МатематикаСкачать

Cистемы уравнений. Разбор задания 6 и 21 из ОГЭ.  | Математика

Быстрое решение системы линейных уравнений в Excel.Скачать

Быстрое решение системы линейных уравнений в Excel.
Поделиться или сохранить к себе: